人類基因藍圖看似簡單。我們的基因緊密纏繞在 46 個 X 形結構中，稱為染色體。它們透過進化而形成，攜帶 DNA 並在細胞分裂時複製，確保我們的基因組在世代相傳中的穩定性。
1997 年，一項研究推翻了進化論。 首次，一個團隊利用基因工程創造了人造人類染色體。當人工染色體被輸送到培養皿中的人類細胞時，其行為與天然染色體非常相似。它隨著細胞分裂而複製，形成具有 47 條染色體的人類細胞。
請放心，我們的目標不是人工進化我們的物種。相反，人工染色體可用於將大量人類遺傳物質或基因編輯工具攜帶到細胞中。與目前的傳遞系統（病毒載體或奈米粒子）相比，人工染色體可以包含更多的合成 DNA。
理論上，它們可以被設計為將治療基因傳遞給患有遺傳性疾病的人，或添加抗癌的保護基因。
然而，儘管經過二十多年的研究，該技術尚未進入主流。其中一個挑戰是，連接形成染色體的短 DNA 片段一旦進入細胞就會黏在一起，很難預測基因的行為方式。
這個月， 一項新的研究 來自賓州大學的研究人員改變了25年前的配方，建構了新一代人工染色體。與先前的染色體相比，新染色體更容易設計，並且使用更長的 DNA 片段，一旦進入細胞就不會聚集。它們也是一個大型載體，理論上可以將大約最大酵母染色體大小的遺傳物質運送到人類細胞中。
「本質上，我們對 HAC（人類人工染色體）設計和交付的舊方法進行了徹底改革，」研究作者 Ben Black 博士 說過 在新聞稿中。
“這項工作可能會重振在動物和植物中設計人工染色體的努力，” 寫道： 喬治亞大學的 R. Kelly Dawe 博士並沒有參與這項研究。
你的形狀
自 1997 年以來，人工基因組已成為一項成熟的生物技術。它們已被用來重寫細菌、酵母和植物中的 DNA，從而產生可以合成救生藥物或藥物的細胞。 吃塑料。它們還可以幫助科學家更好地了解散落在我們基因組中的神秘 DNA 序列的功能。
該技術也帶來了第一個合成生物體。 2023年底，科學家 顯露的酵母細胞 一半的基因被人工 DNA 取代——該團隊希望最終定制每一條染色體。今年早些時候， 另一項研究中 改造了植物染色體的一部分，進一步突破了合成生物的界限。
透過修改染色體的結構（例如，砍掉可疑的無用區域），我們可以更好地了解它們的正常功能，從而有可能導致疾病的治療。
建構人類人工染色體的目標不是設計合成人類細胞。相反，這項工作旨在推進基因治療。目前將治療基因或基因編輯工具攜帶到細胞的方法依賴病毒或奈米顆粒。但這些承運人的貨運能力有限。
如果說目前的運載工具就像帆船，那麼人造人類染色體就像貨船，能夠攜帶更多、更廣泛的基因。
問題？它們很難建造。與呈圓形的細菌或酵母染色體不同，我們的染色體就像一個「X」。每個細胞的中心都有一個稱為著絲粒的蛋白質中心，它允許染色體在細胞分裂時分離和複製。
在某種程度上，著絲粒就像一個紐扣，可以保持磨損的織物片（染色體的臂）完好無損。早期建構人類人工染色體的努力主要集中在這些結構上，提取可以在人類細胞內表達蛋白質的 DNA 字母來錨定染色體。然而，這些 DNA 序列像雙面膠帶一樣迅速黏在一起，最終形成球狀，使細胞難以接觸到添加的基因。
原因之一可能是合成的 DNA 序列太短，導致微型染色體成分不可靠。這項新研究透過設計比以前大得多的人類染色體組裝來測試這個想法。
八是幸運數字
該團隊將人類人工染色體設計為圓形，而不是 X 形染色體，這與酵母中的複製相容。這個圓圈包含了 760,000 萬個 DNA 字母對——大約是整個人類染色體大小的 1/200。
圓圈內有基因指令，用於製造更堅固的著絲粒——保持染色體結構完整併使其複製的“按鈕”。一旦在酵母細胞內表達，按鈕就會招募酵母的分子機制來建構健康的人類人工染色體。
合成的人類染色體在酵母細胞中最初呈現環狀，然後可以透過稱為細胞融合的過程直接傳遞到人類細胞中。科學家們透過化學處理去除了酵母細胞周圍的“包裝”，使細胞的成分——包括人工染色體——直接融合到培養皿內的人體細胞中。
就像仁慈的外星人一樣，添加的合成染色體愉快地整合到人類宿主細胞中。這些圓圈並沒有聚集成有毒的碎片，而是折疊成八字形，著絲粒將這些圓圈固定在一起。人工染色體與天然 X 形染色體愉快地共存，沒有改變它們的正常功能。
對於基因治療來說，即使細胞分裂，任何添加的基因也必須保留在體內，這一點至關重要。這種好處對於癌症等快速分裂的細胞尤其重要，因為它們可以快速適應治療。如果合成染色體充滿了已知的抗癌基因，它就可以在一代又一代的細胞中控制癌症和其他疾病。
人造人類染色體通過了測試。他們從人類宿主細胞中招募蛋白質來幫助它們在細胞分裂時傳播，從而在世代中保存人工基因。
復興
自從第一條人類人工染色體以來，情況已經發生了很大變化。
CRISPR 等基因編輯工具讓重寫我們的基因藍圖變得更容易。針對特定器官或組織的遞送機制正在興起。但合成染色體可能會重新受到人們的關注。
與病毒載體（基因治療或基因編輯最常用的傳遞工具）不同，人工染色體無法進入我們的基因組並破壞正常的基因表達，這使得它們可能更安全。
但該技術存在漏洞。當細胞分裂時，工程染色體仍然經常丟失。位於著絲粒（染色體的「按鈕」）附近的合成基因也可能會破壞人工染色體在細胞分裂時複製和分離的能力。
但對 Dawe 來說，這項研究比單獨的人類細胞具有更大的意義。這項研究中所展示的重新設計著絲粒的原理可用於酵母，並有可能「適用於所有生物體」。
該方法可以幫助科學家更好地模擬人類疾病或生產藥物和疫苗。更廣泛地說，「可能很快就有可能將人工染色體作為不斷擴大的工具包的一部分，以應對與醫療保健、牲畜以及食品和纖維生產相關的全球挑戰，」他寫道。
